基于智能穿戴設備的電磁兼容技術設計研究

王俊起

（江蘇聯合職業技術學院徐州醫藥分院，江蘇徐州，221116）

0 引言

隨著5G技術的快速發展和后疫情時代的到來，以深度學習為核心的人工智能技術以及大數據技術與生命健康深度融合，智能穿戴設備在人體健康體征監測、疾病的預防、輔助診斷治療以及術后康復護理等方面將發揮愈來愈重要、愈來愈多的作用。

智能穿戴設備分為智能穿戴健康設備和智能穿戴醫療設備。智能穿戴健康設備一般都納入消費類電子設備的監管，智能穿戴醫療設備的監管突出強調其有效性和安全性，歐盟地區是納入消費類電子設備監管。美國則將超低風險、與治療疾病無關只用于慢性病輔助管理的智能穿戴醫療設備劃分為常規智能穿戴醫療設備，其它智能穿戴醫療設備則嚴格監管。我國監管最為嚴格，將智能穿戴醫療設備及其配套的軟件全部納入醫療器械管理體系中，遵從《移動醫療器械注冊技術審查指導原則》及產品分類界定通知。

智能穿戴設備主要由傳感、通信、數據處理組件構成，智能化、微型化和交互性是其最顯著的特點，大量使用微處理器、高度集成芯片、數字元器件，極大提高了設備的智能化和效能，但也增加了對外界電磁騷擾的敏感性，同時也是一個更大的騷擾源，尤其是穿戴多個設備時，電磁兼容問題尤為突出，監管要求必須重視其電磁兼容性能的設計。

1 電磁兼容

■1.1 電磁兼容

電磁兼容是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它要求設備要有一定的抗電磁騷擾能力，又不能電磁騷擾環境中的任何事物。

電磁現象即干擾源無處不在，要形成干擾，須具備兩個條件：一個是電磁現象能傳遞到目標設備的途徑，二個是目標設備是敏感設備。干擾源、傳遞途徑、敏感設備就是電磁干擾的三要素，如圖1所示。

■1.2 電磁兼容設計原則與方法

1.2.1 電磁兼容設計的特殊性

電磁兼容是自身抗干擾能力和抑制自身產生干擾的綜合。需要經過理論分析、設計、工程實現、測試、糾錯完善再提高、再測試等一系列過程。電磁兼容設計除了要考慮干擾源，還要考慮寄生參數以及干擾傳導或耦合路徑等問題，這些問題難以用準確的電路模型描述，更難以用精確的數學模型去定量分析、計算和仿真。因此必須進行認真的電磁兼容理論分析、 設計、測試，并反復進行，直至滿足電磁兼容標準。

1.2.2 電磁兼容設計的原則

（1）在設備的研發中，應充分考慮到系統、分系統、設備與周圍環境之間的相互干擾，在開發與設計過程中采取正確的防護措施減小電子系統本身的電磁發射。

（2）在設備或系統功能設計的初始階段，同時進行電磁兼容設計，把電磁兼容的大部分問題解決在設計定型之前，可得到最高的效費比。

（3）電磁兼容設計基于三要素，控制干擾源的發射能量、阻斷耦合途徑和提高設備抗干擾性。由于干擾源總是存在，信號正常傳遞中的噪聲耦合路徑有很多，難以全部切斷，設備敏感性又客觀存在，所以有效的辦法是正確設計以抑制干擾的傳遞。

1.2.3 電磁兼容設計方法

（1）電磁干擾分析，就是分析干擾源及其耦合路徑和敏感設備的抗干擾能力。

干擾源的分析包括干擾源特性分析、建立噪聲模型(時域或頻域描述)、頻譜和功率分析等。

干擾耦合路徑分析就是弄清干擾源是通過何種路徑到達敏感設備的。

敏感設備的抗干擾能力即抗擾性必須利用專業設備進行實驗測試，以得出設備能承受的干擾極限值和噪聲敏感度。

（2）根據有關標準把電磁兼容整體指標逐級分解細化成系統級、設備級、電路級和元件級的指標，然后按照設備要實現的功能，對控制發射、控制靈敏度、控制耦合以及接線、布線與電纜網的設計、濾波、屏蔽、接地與搭接等進行設計。

2 智能穿戴設備的電磁兼容設計

智能穿戴設備的電磁干擾問題，主要有接地阻抗過高、電纜線屏蔽不足、濾波器選用不當以及開關電源的發射、線路耦合、寄生參數、靜電放電等。靜電放電問題作者已著文研究過。這些問題大都可以通過正確接地、良好屏蔽、恰當濾波再配合電纜及連接器的設計、元器件及導線的排布設計、電路板及板層設計等得到解決，本文先研究屏蔽及濾波等技術設計。

■2.1 屏蔽技術

屏蔽是抑制以場的形式造成的干擾的有效方式之一，是用導電或導磁材料制成屏蔽體將需要保護的元件、單元甚或設備封閉起來，使其不被外界干擾，也不能干擾外界。分靜電屏蔽、交變電場屏蔽和交變電磁場屏蔽。靜電屏蔽易于理解，不再贅述。

2.1.1 交變電場屏蔽技術

交變電場的干擾是通過干擾源與接收器之間的耦合電容傳遞的，如圖2所示。圖中Cc是二者之間的等效耦合電容，實際上就是分布電容，二者距離越大其值就越小，耦合能力也越小。接收器上受到的干擾電壓如公式1所示。由于智能穿戴設備的空間所限，Cc很大，所以干擾就很大。

當在二者之間插入屏蔽體時，如圖3所示，原來的耦合電容就變成了Cc1、Cc2、Cc3的綜合效應。Cc3值很小，影響很小，故忽略。則干擾源電壓先經Cc1耦合到屏蔽體上，在經Cc2耦合到接收器上。屏蔽體和接收器上受到的干擾電壓V1和VR如公式2和公式3所示。

圖3 插入屏蔽體時交變電場的耦合

公式中的Z1是屏蔽體的阻抗和屏蔽體接地線的阻抗之和，只要選擇優良導電性能的屏蔽體材料且良好接地，Z1的值就很小，則V1就很小，再經屏蔽體耦合到接收器上的干擾就幾乎沒有，相當于割斷了屏蔽體內外間的干擾傳遞路徑。

2.1.2 交變電磁場屏蔽技術

交變電磁場屏蔽分低頻段和高頻段兩個方面。

2.1.2.1 交變低頻電磁場屏蔽

100kHz以下的為低頻電磁場。低頻電磁場的屏蔽常用高磁導率的鐵磁材料。它是利用鐵磁材料的高磁導率對干擾磁場進行分路，由于鐵磁材料的磁阻與空氣的磁阻相比很小，磁通主要通過鐵磁材料制成的屏蔽罩，空氣的磁通很少，從而起到磁場屏蔽的作用。

使用屏蔽罩應注意的問題:

（1）所用鐵磁材料的磁導率越高，屏蔽罩越厚，磁阻越小，磁屏蔽效果越好。因此，盡量選用高磁導率材料，且有足夠的厚度，甚至可采用多層。

（2）在與磁力線重直的方向不應有開口或縫隙，否則將切斷磁力線，增大磁阻，降低屏蔽效果。

（3）鐵磁材料的屏蔽體不能用于高頻磁場屏蔽。因為高頻時鐵磁材料中的磁性損耗(磁滯、渦流等)很大，磁導率低。

2.1.2.2 交變高頻電磁場屏蔽

高頻電磁場的屏蔽體采用的是低電阻率的良導體材料，如銅、鋁等，利用電磁感應在屏蔽體表面所產生渦流的反磁場，來抵消或抑制屏蔽體外騷擾磁場的影響。

渦流是在高頻下感應產生的，頻率越高，產生的渦流越大。但高于一定頻率以后，渦流就不再隨頻率的增高而加大，屏蔽盒上產生的感應渦流與頻率無關，它產生的反磁場已足以排斥原騷擾磁場而起到屏蔽作用。

高頻時由于集膚效應，渦流僅僅集中在屏蔽盒的表面，所以，高頻屏蔽一般不特別考慮屏蔽盒的厚度。但應特別注意屏蔽盒在垂直于渦流的方向上不應該有開口或縫隙，否則將切斷渦流，使渦流電阻增大，渦流減小，屏蔽效果變差。如果需要屏蔽盒開口或有縫隙，應沿渦流走向，且開口或縫隙尺寸一般不應超過波長的1/100～1/50。

在實際使用中，高頻電磁場的屏蔽體都接地，這樣屏蔽體就同時具有電場屏蔽和高頻電磁場屏蔽的作用。

2.1.2.3 屏蔽體的孔縫泄漏處理

實用屏蔽體常常因為電源線、控制線、信號線的輸人輸出以及散熱通風等會有開孔或縫隙，還有基于維修便利和工作指示原因，蓋板、測量指示儀表、調節的電位器軸、指示燈、保險絲、開關、門等也需要留下窗口或孔縫，這些都會造成屏蔽效能下降。

因此，針對不同部位不同需要，可以采用鈹銅梳簧片、導電纖維、導電橡膠、導電塑料和導電涂料以及導電箔帶等材料進行相應的處理，保證屏蔽效能不會下降或下降不多。

■2.2 電磁干擾濾波技術

電磁干擾濾波是重要且有效的方法，正確地設計、選擇濾波器能有選擇地衰減輸人信號中的干擾成分，而讓有用信號基本無障礙地通過。

濾波器是由電阻、電感、電容或有源器件組成的選擇性網絡，有兩種工作方式：一種是將無用信號能量在濾波器中吸收并消耗掉，這類濾波器中含有損耗性器件，如電阻或鐵氧體等，稱作吸收式或損耗式濾波器；另一種是阻止無用信號通過，讓無用信號能量反射至信號源并消耗掉，這類濾波器由非損耗性器件組成，如純電抗性器件，稱作反射式濾波器。無論哪一類濾波器，都應使其損耗在阻帶內盡量大。

2.2.1 濾波器的插入損耗

插入損耗是濾波器最為重要的技術性能參數之一，用符號IL表示。插入損耗定義為：信號源和接收機(負載)之間接入濾波器前后，由源傳送給負載的功率之比，或近似表示成同一信號源下接入濾波器前后，負載阻抗上電壓之比，如公式4所示。

顯然，高的插入損耗意味著對騷擾信號有好的抑制能力，因此，濾波器設計時應盡可能實現高的插入損耗。

2.2.2 濾波器阻抗匹配與失配

在一個由源和負載組成的電路中，若負載阻抗與源阻抗相等，則負載上可以獲得源所能提供的最大功率，這種情況稱為理想阻抗匹配。一般地說，阻抗匹配就是要使源提供的功率全部傳遞給負載，這是傳輸有用信號時的理想狀況。而對于干擾信號，則希望阻抗盡可能失配，使得干擾不傳輸給敏感設備負載。設計好濾波器的輸入輸出阻抗，就能達到此目的。

假定濾波器為一個二端口網絡，插入在源與負載中間，如圖4所示。圖中若源阻抗ZS與負載阻抗ZL不相等，且這個二端口網絡的端口輸人阻抗ZI和輸出阻抗Z。分別等于源內阻ZS和負載阻抗ZL，此時這個二端口網絡僅起匹配阻抗作用，源所能提供的功率全部被負載吸收。于是接入此理想二端口匹配網絡后，負載ZL上的電流為

圖4 二端口網絡接入源和負載之問的關系64頁

而該電路未接此理想匹配網絡時，負載ZL上的電流為

則插入此匹配二端口網絡前后流過負載的電流之比為

此比值明顯<1，說明接入理想匹配網絡使負載上電流最大并獲得最大傳輸功率，原始電路因阻抗不匹配不能獲得最大電流和最大功率。這種由于源與負裁阻抗不匹配而產生的負載電流變化，稱作電流反射。這種反射同樣也會引起功率損耗，稱為為反射損耗，大小為：

由公式8可知，當阻抗完全匹配時，ρ=0， A=0，源所能提供的功率全部被負載吸收，不存在反射損耗。當電路出現全反射時，ρ=1，因而有A→∞，負載上電流為零，即源和負載阻抗形成最大失配，源能提供的功率全部被反射回來，負載上沒有功率損耗。

因此，電磁干擾濾波器應該盡量在阻抗不匹配的條件下工作，濾波器的損耗就等于濾波器的固有插入損耗加上反射損耗，大大增強了干擾抑制能力。

2.2.3 阻抗失配對插入損耗的影響

以典型的LC型濾波器為例，忽略干擾源阻抗的影響，此時濾波器的插入損耗與電路的電壓衰減相等。因此濾波器的插入損耗為：

三種不同性質的負載，影響各不相同：

（1）負載ZL為純阻性：阻抗值為ZL=RL，此時濾波器的插入損耗為：

由公式10可見，濾波器在ω>>ωo時具有較大的插入損耗，可以很好地工作；但在ωo附近，1-ω2/ωo2→ 0，ωL/RL項起決定作用，若則會有插入損耗IL<0，此時該濾波器不但不能抑制電磁干擾信號，反而會放大電磁干擾信號。

（2）負載為感性負載：ZL可用一個電感LL和一個電阻RL并聯表示，則該電路的諧振頻率由于負載電感與濾波器電容并聯、電容容抗值被降低而增大，從ωo變為此時濾波器的插入損耗變為：

濾波器在ω>>ωL >ωo時才具有較大的插入損耗，而在原來阻性負載情況下ω>ωo，又不滿足ω>>ωL時，插入損耗并不能大于零，濾波有效范圍較阻性負載減小。若在頻率范圍內出現電感和電容諧振，還將使原來沒有電感負載時的阻帶內出現負的插入損耗，即對電磁干擾信號具有放大作用。

（3）負載為容性負載：可以用一個電容CL和一個電阻RL并聯表示ZL，電路的諧振頻率變為＜ω0，插入損耗變為：

此時電路的諧振頻率ωc比LC濾波電路的固有諧振頻率ωo低，因此使濾波器截止頻率以內的插入損耗增加，電磁干擾信號的濾波效果增強。

由此可見，對于一個給定的源和負載，合理設計電磁干擾濾波器的固有諧振頻率，才能有效抑制電磁干擾。

總之，由于智能穿戴設備的特殊性，在設計其電磁兼容性能時，要充分合理設計使用屏蔽及濾波，并統一協調考慮，反復測試，直到達到最佳電磁兼容性能。